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### 单例设计模式详解 #### 模式概述 单例设计模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，属于创建型模式之一。该模式的主要目的是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。 #### 模式意图 在软件开发中，有些对象只需要一个实例就能满足需求，例如系统配置、日志记录器等。为了解决这类问题，单例模式通过限制类的实例化过程来实现这一目标。通过这种方式，可以确保任何时候都只存在一个实例，并且可以通过一个全局访问点来获取它。 #### 模式结构 单例模式主要由两部分组成： 1. **Singleton（单例类）**：定义了单例的内部结构，包括存储单例实例的成员变量以及创建该实例的方法。 2. **Singleton_Accessor（单例访问类）**：提供了外部访问单例实例的接口。 #### 协作关系 客户端仅能通过 `Singleton` 类中的 `Instance` 方法来访问单例实例。这样做的目的是为了确保在任何情况下，都只能通过统一的方式获取到单例对象。 #### 实现方式 在 Eiffel 语言中，控制类的实例数量通常是通过使用一次函数（once function）来实现的。一次函数在第一次调用时像普通函数一样执行，但在后续调用时不会再次执行其函数体。如果是一次函数返回值，则每次调用都会返回首次调用时的值。这一机制使得我们可以： - 在无需显式初始化语句的情况下初始化数据结构。 - 在运行时共享计算得到的值。这一点类似于 Smalltalk 或 C++ 中的类变量，即所有类实例共享相同的变量。 基于上述特性，我们可以将单例设计模式分为两个类： 1. **SINGLETON**：表示应该只有一个实例的类。 2. **SINGLETON_Accessor**：提供对单例实例的访问点。 为了指定一个类只能有一个实例，可以让该类继承自以下 `SINGLETON` 类： ```plaintext class SINGLETON feature {NONE} -- Private frozen the_singleton : SINGLETON is -- The unique instance of this class once Result := Current end -- singleton invariant only_one_instance: Current = the_singleton end -- SINGLETON ``` 上述代码定义了一个名为 `the_singleton` 的私有成员变量，用于保存该类的唯一实例。`frozen` 关键字表明 `the_singleton` 是不可变的。`once` 函数 `singleton` 确保类的实例化过程中只会创建一个实例，并且每次调用 `singleton` 都会返回同一个实例。 #### 全局访问点 为了提供一个全局访问点来获取单例实例，我们引入了 `SINGLETON_Accessor` 类。该类包含一个方法 `singleton`，此方法应被具体子类重定义为一次函数，以创建并返回单例对象。 ```plaintext class SINGLETON_Accessor feature {NONE} -- Public singleton : CURRENT is -- Returns the single instance of this class once Result := create make end -- singleton end -- SINGLETON_Accessor ``` 在这个示例中，`singleton` 方法被声明为 `once` 函数，确保无论多少次调用该方法，都会返回相同的单例实例。 #### 使用场景 单例模式适用于以下几种情况： - 当需要频繁地实例化然后销毁对象时，使用单例模式可以提高系统的性能。 - 当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的，并且客户应该无须更改代码就能使用一个扩展的实例时。 - 当类必须自行创建唯一的实例时，并且必须给予自身全面的访问权限。 #### 总结 单例设计模式是一种非常实用的设计模式，能够有效地解决某些特定类型的问题。通过限制类的实例化过程，确保任何时候都只有一个实例存在，并且可以通过一个全局访问点来获取它。这种模式在很多场合都非常有用，特别是在需要全局访问点的情况下，可以极大地简化系统架构和提高程序效率。